La genetica molecolare è la disciplina scientifica focalizzata sullo studio della struttura e sulla funzione dei geni a livello molecolare. In particolare, essa studia il DNA e i suoi prodotti, RNA e proteine, le cui alterazioni possono essere correlate o responsabili di un particolare fenotipo.
La genetica molecolare si basa sui fondamenti della genetica classica e i suoi esordi si possono collocare agli inizi del Novecento, quando i ricercatori cominciarono a rielaborare ed estendere le leggi di Mendel, chiedendosi in che modo i geni potessero determinare le caratteristiche ereditarie di un individuo.
Nella descrizione della vasta area di studio che è identificabile con la genetica molecolare è certamente utile seguire un approccio di tipo storico, cercando di individuare, anche se in modo necessariamente parziale, alcune delle tappe fondamentali che hanno contribuito allo sviluppo della conoscenza in questo campo.
Le Tappe Fondamentali della Genetica Molecolare
- Gregor Mendel (1865): Nel lavoro presentato nel 1865 alla Società di Scienze Naturali di Brno, "Experiments in plant hybridization", l'abate agostiniano Gregor Mendel pose le basi della moderna genetica studiando l'ereditarietà di alcuni caratteri dei semi di pisello (colore e grinzosità) e mostrando come essi potevano essere seguiti nelle successive generazioni applicando il metodo statistico.
- Inizio del XX secolo: Il legame fra il lavoro di Mendel e quello di numerosi biologi cellulari conduce alla formulazione della 'teoria cromosomica dell'ereditarietà'. I cromosomi vengono individuati dal biologo tedesco Walther Flemming, che osserva come questi si separano longitudinalmente all'interno del nucleo durante la divisione cellulare. Successivamente Edouard van Beneden mostra che dopo la divisione essi risultano distribuiti in numero uguale nelle due cellule figlie.
- Theodor Boveri e Walter Sutton: Agli inizi del Novecento, in modo indipendente, pervengono alla conclusione che geni e cromosomi vengono trasmessi parallelamente da una generazione alla successiva: i geni, quindi, devono trovarsi sui cromosomi.
- 1925-1952: Esperimenti portarono all'identificazione della base chimica dell'ereditarietà nella molecola dell'acido desossiribonucleico (DNA).
- Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty (1944): Un passo fondamentale per la scoperta della base chimica dell'ereditarietà e lo sviluppo della genetica molecolare fu compiuto nel 1944, grazie agli studi di Oswald Avery e dei collaboratori Colin MacLeod e Maclyn McCarty.
- Alfred D. Hershey e Martha Chase (1952): Solo nel 1952, i risultati prodotti da Alfred D. Hershey e Martha Chase indicarono in maniera definitiva nella molecola di DNA la responsabile della trasmissione dei caratteri ereditari.
- Friedrich Miescher (1869): Nel 1869, Friedrich Miescher aveva isolato il DNA da sperma di pesce e da pus fuoriuscito da una ferita e battezzato questa sostanza come 'nucleina' dal momento che risiedeva all'interno dei nuclei.
- Phoebus A. Levene (1920): Nel 1920, il biochimico Phoebus A. Levene ne aveva identificato la struttura chimica rilevando che era composta da quattro basi azotate: Citosina, Timina, Adenina e Guanina; dallo zucchero desossiribosio e da un gruppo fosfato.
- Erwin Charghaff (1950): Solo nel 1950, con le ricerche del biochimico Erwin Charghaff, fu chiaro che le proporzioni dei nucleotidi rimanevano identiche per ogni cellula di una singola specie, mentre variavano ampiamente da specie a specie.
- Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin e Maurice Wilkins (1953): Nel 1953, Watson e Crick, raccogliendo tutte le informazioni disponibili sulla composizione degli acidi nucleici e utilizzando le informazioni ottenute da Franklin e Wilkins sulla struttura tridimensionale del DNA mediante l'uso della cristallografia a raggi X, conclusero che la molecola di DNA ha la forma di una doppia elica regolare.
- Matthew Meselson e Franklin W. Stahl (1958): La risposta alla prima domanda venne da un esperimento condotto nel 1958 da Matthew Meselson e Franklin W. Stahl, i quali dimostrarono che la replicazione avviene in maniera semiconservativa.
- James B. Summer (anni Trenta): Intorno agli anni Trenta, James B. Summer ottenne il cristallo dell'enzima ureasi, dimostrando che gli enzimi chimicamente sono proteine.
- George W. Beadle ed Edward L. Tatum (1942): Nel 1942 George W. Beadle ed Edward L. Tatum dimostrarono che, in accordo con gli studi di Garrod sulle malattie ereditarie, esponendo il fungo Neurospora crassa a radiazioni UV si inducevano mutazioni che determinavano variazioni sulle normali necessità nutritive del fungo esposto.
- Seymour Benzer: Colui che più di ogni altro ampliò questo concetto molecolare di gene fu Seymour Benzer, che con i suoi studi sul batteriofago T4 introdusse il concetto di 'unità funzionale del gene' o 'cistrone'.
- Crick e Sydney Brenner (1961): Successivamente, nel 1961, Crick e Sydney Brenner, lavorando sempre sul batteriofago T4, provarono sperimentalmente la teoria formulata otto anni prima, al momento della scoperta della struttura del DNA, e cioè che il codice genetico è costituito da triplette nucleotidiche.
- François Jacob e Jacques Monod (anni Settanta): In particolare negli anni Settanta, François Jacob e Jacques Monod introdussero il concetto di RNA messaggero che trasferisce, mediante il processo della trascrizione, l'informazione per le sintesi delle proteine dal DNA all'esterno del nucleo, sui ribosomi.
Struttura e Funzione del DNA
Il DNA, così come l’RNA, è un acido nucleico costituito da subunità chiamate nucleotidi. La molecola del DNA è formata da due catene polinucleotidiche appaiate e avvolte intorno allo stesso asse, in modo da formare una doppia elica.
Nel 1953 gli scienziati americani Watson e Crick scoprirono che la molecola del DNA è formata da due lunghi filamenti, avvolti l’uno intorno all’altro in modo da formare una doppia elica. I due filamenti, attorcigliati a spirale, sono costituiti da lunghe sequenze di piccole unità che si ripetono, i nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da tre sostanze chimiche: il gruppo fosforico, lo zucchero desossiribosio e una base azotata.
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L’intera molecola del DNA presenta un andamento simile a quello di una scala a chiocciola dove le “ringhiere” sono costituite dalle molecole di zucchero e dai gruppi fosforici, mentre i gradini sono formati dalle basi azotate, per l’esattezza, ogni gradino è formato dall’unione di due basi affacciate l’una all’altra.
Replicazione del DNA
Prima della divisione cellulare il DNA si duplica, formando una copia di se stesso, allo scopo di donare la propria informazione a ciascuna cellula figlia. Quando una molecola di DNA si duplica, la doppia elica inizia ad aprirsi, come una cerniera lampo, e i due filamenti si separano.
Alle basi spaiate di ogni filamento si agganciano quelle complementari dei nucleotidi liberi, presenti come riserva nel nucleo; questi vengono poi legati fra loro da enzimi: si formano così due nuovi filamenti, complementari a quelli vecchi.
Ruolo delle Proteine
Le proteine rappresentano i “mattoni di costruzione” delle cellule e ne regolano tutte le attività. L’informazione per la loro sintesi è contenuta nel DNA. Le proteine sono formate da diversi tipi di amminoacidi, il cui ordine e numero ne determina la differenza; pertanto dalla loro combinazione possono avere origine moltissime proteine diverse. Nel DNA sono contenute le istruzioni per mettere in sequenza gli amminoacidi e costruire quindi le proteine.
RNA Messaggero (mRNA)
L’RNA messaggero o mRNA è costituito da un singolo filamento di nucleotidi e contiene, rispetto al DNA, ribosio al posto dell’acido desossiribosio e uracile al posto della timida. Ha la funzione di “messaggero” ossia di portare le informazioni dal nucleo, dov’è contenuto il DNA ai ribosomi, dove vengono sintetizzate le proteine.
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L’mRNA si forma nel nucleo della cellula, usando come stampo un filamento del DNA, nello stesso modo in cui il DNA fabbrica le copie di se stesso. Pertanto il filamento dell’mRNA è complementare a quello del DNA. Il passaggio dell’informazione dall’DNA all’mRNA è detto trascrizione.
L’mRNA maturo esce quindi dal nucleo dove si è formato e si trasferisce sui ribosomi presenti nel citoplasma. I ribosomi sono formati da due parti incastrate l’una nell’altra: una serve da aggancio per l’mRNA, l’altra per il tRNA o RNA di trasporto.
Quest’ultimo ha il compito di raccogliere gli amminoacidi sparsi nel citoplasma e trasferirli su un apposito sito nel ribosoma. Quando tutto il messaggio dell’mRNA è stato letto, la proteina completa si ristacca dal suo ribosoma, pronto a intraprendere la sua attività.
Il Progetto Genoma Umano e le Scoperte Recenti
Grazie al Progetto Genoma Umano, nel 2001 è stata pubblicata la prima bozza completa della sequenza del nostro Dna e una delle scoperte più sorprendenti del progetto ha riguardato il numero di geni della nostra specie. Anche noi ne abbiamo 20-22 mila.
Gli studi di sequenziamento hanno consentito di stabilire che nell'uomo i geni sono circa 39.000 e hanno una dimensione media di circa 10.000-15.000 coppie di basi, anche se esiste un'enorme variabilità. Alcuni dei nostri geni superano appena le 1000 coppie di basi, come succede per il gene che codifica per l'insulina. Ci sono altri geni che superano i 2 milioni di coppie di basi, come il gene della distrofia che codifica per una importante proteina del tessuto muscolare.
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L'enorme diversità che riscontriamo tra le persone che ci circondano si deve principalmente all'espressione del repertorio particolare della combinazione delle circa 39.000 coppie di alleli propri di ciascun individuo, in rapporto all'ambiente, cioè alle condizioni e agli episodi accaduti durante lo sviluppo.
Tabella Riassuntiva dei Concetti Chiave
| Concetto | Descrizione |
|---|---|
| DNA | Acido desossiribonucleico, molecola che contiene le informazioni genetiche. |
| RNA | Acido ribonucleico, coinvolto nella trascrizione e traduzione delle informazioni genetiche. |
| Proteine | Macromolecole biologiche essenziali per la struttura e la funzione delle cellule. |
| Nucleotide | Unità base degli acidi nucleici, composta da zucchero, fosfato e base azotata. |
| Replicazione | Processo di duplicazione del DNA. |
| Trascrizione | Processo di trasferimento dell'informazione dal DNA all'RNA. |
| Traduzione | Processo di sintesi delle proteine a partire dall'RNA. |